Name: 近赤外分光法で赤ちゃん、子供と大人の認知機能を探る (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2009-07-28T16:25:00.000+00:00
Duration: 12 min 40 s
Description: 学ぶ近赤外分光法（fNIRS）による脳血流と神経活動の計測手法。乳幼児から成人までの認知神経科学と言語発達研究に応用し、非侵襲的な脳イメージングで神経活動と血液動態応答の関係を解明する。

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この作品は、LAP（PI）への補助金によって支えられている。 国民健康R21 HD50558の研究所、2005から07を受賞、国立健康R01 HD045822の研究所は、2004から09を受賞。ダナ財団助成を、 イノベーションのためのカナダの財団（&quot;CFI&quot;助成金）、授与、2004から06を受賞 2008-2012、オンタリオの研究助成は、2008から2012を受賞。

パート1：参加者の前に研究室に到着<ol><li>部屋は参加者に邪魔になる可能性があります余分な記事がないことを保証すること。 </li><li> - セットアップとfNIRS日立ETG - 4000のシステムで実験的なプロトコルをロードする。 </li><li>あなたの実験パラダイムを設定します。実験的なパラダイムはEprime、プレゼンテーション、PsyscopeやMatlabベースの心理学のツールボックスを含む別のプレゼンテーションソフトウェアでプログラムすることができます。ここでは、MATLABベースの心理学のツールボックスを使用してください。 </li><li>タイミングは、このように実験的なパラダイムが完全にデータの収集とタイムアウトする必要がある、データ解析のためのキーです。 fNIRS日立ETG - 4000は、データ収集またはその逆をトリガするために実験的なパラダイムを可能にする、機能をトリガしている。 fNIRS日立ETG - 4000のプレゼンテーションプログラムのトリガテストします。トリガは、並列、逐次、またはUSBポートを使用して行うことができます。ここでは、パラレルポートを介してトリガを示す。 </li><li>前のfNIRSの調査を開始するには、参加者の背景のスクリーニングを行うことが重要です。プティト教授の研究室では、我々は参加者や親が勉強、適切な標準化されたアンケートを29に記入することによって背景のスクリーニングを実施する。 </li></ol>参加者が到着<ol start="6"><li>セッションを実施するために、専門の方法で参加者を治療することが重要です。実験が始まる前に、参加者または参加者の両親/法的保護者が同意書に署名する必要があります。それは、これらの重要でエキサイティングな実験では彼らの時間のために参加者に感謝することが重要です。 </li><li>参加者は快適に近いfNIRSの試験室に装着されている。乳児の参加者は、親の膝の上に取り付けられていない可能性があります。 </li></ol>パート2：Optodesを配置＆10月20日システムを使用する一貫性のあるデータの解釈を可能にする分析法の別のコンポーネントには、fNIRS記録プロトコルの標準化です。これはoptode配置、参加者の位置、および刺激提示ソフトウェアのトリガを伴います。プローブの正確な神経解剖学的配置の両方と関心領域（ROI）の確認、10〜20システム3,4,30を使用して実現されています。さらに、プローブの配列の定位局在は、各プローブの位置3,4に配置されたビタミンEのカプセルを実施した参加者の解剖学的MRI共同登録のスキャンにPolhemus社の高速TRAKシステムから3Dトラッキングの情報を重ねることによって参加者の頭蓋骨に確認された。最適な参加者の位置は、本体または椅子に接触することなく緩く吊り下げ、光ファイバと、リクライニングチェアで快適に、参加者を置くことに関与。 <ol><li>以下のヘッドの測定は、巻尺で撮影し、参加者のデータシートを下に書かれている。 <ul><li>周りイニオンへ[後]頭骨</li><li>トップ上Inionsへ[後]頭骨</li><li>トップ上の耳への耳</li></ul></li><li>サージカルテープは、特定のターゲットの位置をマークするために使用することができます。この実験では、FP、T3/T4、F8/F7を迎えます</li><li> Optodeの配列は、実験の目的によって指示10月20日のポイントに停泊して特定のoptodesと参加者の頭の上に配置されています。 </li></ol>パート4：Optodeアレイのテスト<ol><li>日立ETG - 4000のGUIインタフェースとプローブテストの紹介。 </li><li>信号をテストする：一度optodesが参加者の頭皮に配置され、信号品質がテストされます。 optodeは明確なシグナルがない場合は、研究者がやさしくoptodeと頭皮の接続から毛を取り除く。機会にoptodesはア​​ルコール綿で拭くことが必要な場合があります。 </li></ol>パート5：実験を実行する。 <ol><li>少なくとも二つの実験者が部屋に常に存在する必要があります。fNIRS日立ETG - 4000リアルタイム読み出すと参加者を観察し、他を観察つ。参加者に焦点を当てたビデオカメラを持っておくことを高く事後観察のために推奨されます。 fNIRS日立ETG - 4000の利点は、ビデオとfNIRSの信号が同期し、共同で登録されていることです。生成されたすべての関連情報およびファイルを含むログが保持されます。 </li><li>実験的な血行動態のパラダイムを構築するのよく確立されたメソッドが存在する、すなわち設計およびイベント関連のデザインをブロックします。より完全な説明については最近のレビュー論文31を参照してください。 </li></ol>パート6：分析すべてのデータが収集された、参加者は自分の時間と参加意欲のために感謝し、ラボを残している。分析がfNIRS日立ETG - 4000上で行われていないとして、として、ではなく、データは分析のコンピュータにエクスポートされます。 <ol><li>ヘモグロビン濃度へμVからの変換。生の減衰値はレーザー強度の減衰（のようなμVで測定）で収集されるように、これらの値は、酸素と脱酸素化ヘモグロビンVALUに変換する必要があります。ES。これは、修正されたランバート - ベールの法則を使って行われます。 </li><li>修正Beer - Lambertののアプリケーションは、2つの手順で行われている。散乱は、最初のパスの長さ、信号の計算されたベースラインへのそれぞれの波長（ΔAλ（t）は ）タスク（I タスク ）の間に光強度の光学濃度を比較することによって計算される（のための減衰にわたって一定であるという仮定の下で私ベースライン ）。各波長のΔAの値と変更されたランバート-ベールの法則を解決するためにサンプリングした時点（t）を。 <table border="0"><tbody><tr><td> 式（1） <img style="float:left;" src="/files/ftp_upload/1268/eq1.jpg" alt="式（1）" /></td><td> 式（2） <img style="float:left;" src="/files/ftp_upload/1268/eq2.jpg" alt="式（2）" /></td></tr></tbody></table></li></ol> λ1∈デオキシ、λ1∈オキシ 、波長λ2∈デオキシとλ2∈酸素は、組織内の単位濃度の距離ごとに吸収するために失われた光の割合を測定する吸光係数の定数である。その結果、CのデオキシとC オキシ値は、各tに対して脱酸素化と酸素化ヘモグロビンの濃度です。 パート7：代表的な結果いくつかの明確な特性の典型的な血行動態の応答結果。酸素ヘモグロビンの応答では、特徴的なディップは、最初にあります。ニューロンの領域が活性化し、利用可能な酸素を枯渇させるようにこのディップが発生します。血流が増加するにつれて、酸素化ヘモグロビンを運ぶ、オキシヘモグロビンの応答は、定常状態のレベルに最初のベースラインレベルの上に急速に上昇する。領域はもはやアクティブにされていないときは、酸素ヘモグロビンの応答次の12から15秒以上の減衰ゆっくりとではベースラインレベルに下がります。初期のベースラインレベルに戻った血液動態反応の前に発生したアンダーシュートが時折あります。 悪い結果が適切に頭皮や過度の運動に装着されていないoptodesの形で通常です。ノイズのこれらのタイプ - &quot;きっぱりと&quot;、と呼ばれる - マイクロボルトの値が飽和し、異なるチャンネル数、状況に応じたやり方で酸素とデオキシ-応答の両方の動きとして、信号で顕著となっている。 デモ：光ファイバを振る。 統計的分析：各チャネルごとに、各参加者のと各タスクの抽出された酸素とデオキシヘモグロビンの値は、従来の統計分析に提出することができる、t -検定を含め、ANOVAs、相関等

<ol><li>Quaresima, V. J. Biomed. Opt. 10, 11012-11012 (2005).</li>
<li>Watanabe, E. Neurosci. Lett. 256, 49-52 (1998).</li>
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</ol>

著者に開示すべき事項はありません。

本研究では、我々は人間の認知や知覚に関連して人間の脳機能を調べるために小説、非侵襲的fNIRSの脳のイメージング技術の使用を実証。 fNIRSを脳機能イメージングは​​、一日研究室で広く利用できる可能性があること、特に幼児や子供の集団で、医師のオフィスを非侵襲的脳機能イメージングの未来を表す場合があります、と臨床医がに関する基本的な科学的知見を適用できるように学校のシステムでその臨床実践への脳。

<table><tbody><tr><td>ETG-4000</td><td>日立</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Matlab</td><td>Mathworks</td><td></td><td>Psychology toolbox</td></tr></tbody></table>

近赤外分光法で赤ちゃん、子供と大人の認知機能を探る

Exploring Cognitive Functions in Babies, Children &amp; Adults with Near Infrared Spectroscopy

そのような言語1,2,3,4,5,6,7,8,9,10、メモリ11、及び注意12などの高次認知過程に関連皮質の活性化を調査する赤外分光法（fNIRS）の研究、近機能の爆発進行中の典型的な非定型認知20,21,22と3,4,13,14,15,16,17,18,19世界的に関わる大人、子供や乳幼児です。認知神経科学のためfNIRSを用いての現代的課題は、彼らが23,24,25,26普遍的に解釈可能であり、したがって、機能的な組織と人間のより高い認知の基礎となる神経システムに関する重要な科学的問題を進めることができるようデータの体系的分析を達成することです。 既存のニューロイメージング技術は、どちらか少ない堅牢な時間や空間分解能を持っている。ポジトロンCTと機能的磁気共鳴イメージング（PETやfMRIが）より良い空間分解能を持っているのに対し、事象関連電位と磁気脳機能イメージング（ERPやMEG）は、優れた時間分解能を持っている。オキシヘモグロビンは優先的に680nmのとデオキシヘモグロビンによって吸収される近赤外域（700〜1000 nm）を、で、光の非イオン化の波長を使用しては、優先的に830nmの（例えば、実際に、非常に波長がにハードワイヤードで吸収されるここに示したfNIRS日立ETG - 400システム）、fNIRSはよくそれは放射線と良好な空間分解能（〜4cmの深さ）を使用せずに良好な時間分解能（〜5秒）の両方を持っているので、より高い認知の研究に最適、とされないことです参加者は密閉構造27,28に存在する必要があります。快適に普通の椅子（大人、子供）に座って、あるいはお母さんのラップ（乳幼児）に座っている間皮質活動の参加者が評価できる。特に、NIRSは事実上サイレント、（デスクトップのコンピュータのサイズ）ユニークなポータブルであり、そして参加者の微妙な動きに耐えることができます。これは、必ずしもそのキーコンポーネントの一つ音声生成や手話の手の​​中に口の動きとして持っている人間の言語の神経研究の場合に特に顕著である。 血行動態応答がローカライズされている方法は、レーザーエミッターと検出器の配列によってです。検出器は、皮質表面から反射される量を検出しながらエミッターは、非電離光の既知の強度を発する。近くに一緒にoptodesを、より空間分解能、さらに離れてoptodes一方、浸透の大きい深さ。のためのfNIRS日立ETG - 4000システム最適普及/解像度optodeの配列は、2センチメートルに設定されています。 私たちの目標は、フィールドを標準化し、共通のバックグラウンドを持っている別のfNIRSのラボが世界中で有効にするためのfNIRSデータの取得と分析の手法を示すことです。

ここでは、特に子供の脳の発達を研究するには、赤外分光法（fNIRS）、認知神経科学で使用される新規非侵襲的脳機能イメージングシステムの近くに機能するためのデータ収集とデータ分析の方法を説明します。このメソッドは、データ収集およびデータの解釈と科学的発見に不可欠な分析の普遍的な標準を提供します。

...などの高次認知機能に関連する皮質活性化を調査する、機能的近赤外分光法（fNIRS）を用いた研究が急増しており、

機能的近赤外分光法（fNIRS）は、被験者の頭部に配置した近赤外線レーザー光源と検出器のペア（オプトード）を用いて、脳内の神経活動に関連する血行動態反応を測定する方法です。脳の特定の領域でニューロンの活動が上昇すると、酸素消費量も増加します。これにより、活動中の脳領域への血流の増加が促進されます。酸素化血液と脱酸素化血液は異なる光学吸収特性を持つため、頭蓋骨の外側に配置したオプトードによってこれらの微細な変化をモニタリングすることが可能です。これらの変化は下層の脳活動と相関しており、光源と検出器のペア間における光子の確率パターンはバナナ状になります。光源と検出器のペアの間隔が狭いほど空間分解能は向上し、間隔が広いほど浸透深さは深くなります。こんにちは。私はトロント大学心理学部の、看護脳イメージングおよび遺伝子、言語バイリンガリズム、および児童発達に関するDr. Laura and Petito 認知神経科学研究室のYuli Comanです。そして、私はDr. Laura Ann Petitoです。本日は、Dr. Lauren Petito、Mark Linsky、Melody Barens、そして私が共同で、機能的近赤外分光法を用いたデータ収集および分析の手法を実演します。当研究室では、乳幼児、子供、および成人における言語と脳の発達を研究するためにこの手順を用いています。それでは、始めていきましょう。参加者が到着する前に、研究に使用する部屋を準備します。参加者の妨げとなる可能性のある不要な物品を撤去します。室内の準備が整ったら、fMRIのように、F Ns Hitachi ETG 4, 000システムに実験プロトコルをセットアップし、ロードします。このF NSシステムは血行動態反応を評価します。つまり、実行中のタスクに積極的に関与している脳領域への血流を評価するものです。fNIRSにはfMRIと比較して多くの利点があります。例えば、静音でポータブルであり、狭いチューブの中に拘束される必要がありません。重要な点として、このシステムにより、覚醒して行動している乳幼児や幼児を観察することが可能になります。fNIRSの時間分解能はfMRIに匹敵し、サンプリングレートは大幅に高くなります。日立製ETGは、10 Hzでサンプリングを行います。したがって、血流動態反応を介して脳活動を測定するには、f nearsが最適です。実験パラダイムはさまざまな提示ソフトウェアでプログラム可能ですが、本研究ではePrimeを使用します。データ解析においてはタイミングが極めて重要であるため、実験パラダイムのタイミングは完全に制御されていなければなりません。データ収集に関して、EF nurse Hitachi ETG 4,000システムはトリガー機能を備えており、実験パラダイムからデータ収集をトリガーすること、またはその逆が可能です。ここでは、パラレルポートを介したトリガー方法について説明します。トリガーはシリアルポートやUSBポートを使用して行うこともでき、F Ners Hitachi ETG 4,000システムからのプレゼンテーションプログラムのトリガーを確認できます。テストが完了したら、参加者の到着に備えます。実験を開始する前に、参加者の親または法的保護者が同意書に署名する必要があります。その後、言語評価テストを実施します。同意書への署名後、被験者をF NS検査システムの近くに座らせます。F Ns記録プロトコルを標準化するためには、被験者の位置が極めて重要です。一貫したデータ解釈を可能にするため、成人の被験者または年長の子供は、椅子に心地よく座った状態にするのが最適な位置となります。乳幼児は母親の膝の上に座らせるのが最適です。配置が完了したら、オプトードの装着へと進みます。fNIRSの記録プロトコルを標準化するためには、参加者のポジショニングと同様に、正確なオプトードの装着が重要となります。プローブの正確な神経解剖学的配置と関心領域の確認を両立させるため、電極配置には国際10-20法を用います。ここでは成人を対象とした手順を説明しますが、同様の手順が乳幼児、小児、成人を含むすべての年齢層に適用されます。まず、メジャーを用いて以下の頭部測定を行い、参加者のデータシートに記録してください。まず、鼻根から耳根までの距離を測定して記録し、次に鼻根から頭頂部までの距離を測定して記録します。その後、耳から耳までの頭頂部を横切る距離を測定して記録します。外科用テープを使用して、特定の標的部位に印を付けることができます。本実験では、FP T3、T4、およびF8、F7の各位置に印を付けます。最後に、オプトアレイを被験者の頭部に配置します。実験目的に応じて、特定のオプトを10-20法に基づいたポイントに固定します（ここでは手術用テープの貼付位置で示されています）。光ファイバーが被験者の身体や椅子に接触せず、緩んで垂れ下がっていることを確認してください。子供や乳幼児を対象とする場合は、アニメーションを流したり、補助者が子供をあやすなどの対応を推奨します。プローブ設置の手順において、後で検証できるようプローブ位置のデジタル写真を必ず撮影し、参加者の頭蓋骨に対するプローブベレの定位的な局在を確認してください。3Dトラッキング情報はPolyus Fastrackシステムを用いて取得します。この情報を、各プローブ位置にビタミンEカプセルを配置して撮影した参加者の解剖学的MRI共登録スキャンに重ね合わせます。参加者の頭皮にオプトードを配置した後、信号品質のテストを行います。オプトに明確な信号が現れない場合（例えば、フラットラインが表示されるなど）、オプトが十分に接続されていないことを示しています。オプトと頭皮の接続部分から、髪の毛をゆっくりと取り除いてください。場合によっては、アルコール綿でオプトを拭く必要があることがあります。すべてのオプトードでクリアな信号が得られていることを確認した後、実験を開始します。少なくとも2名以上の実験者が、テスト中に常に立ち会う必要があります。一方はHitachi ETG 4,000のリアルタイム読み出し値を観察し、もう一方は被験者を観察します。事後分析のために、被験者に焦点を合わせたビデオカメラを設置することを強く推奨します。それでは、この実験では「バ、ダ」という音を聴いていただきます。したがって、「da」という音が聞こえるたびに、人差し指でこのボタンを押してください。Ba BB da BB。いいですね。画面を見て、そこに表示される単語を確認してください。本物の単語と架空の単語が混在していますが、目に飛び込んできた単語をそのまま読んでください。いいですか？わかりましたね。では始めます。When Zero away shade cold。F near studyでは、視覚的または聴覚的な実験パラダイムを採用することができます。システムは完全に静音であるため、聴覚実験に最適です。参加者は頭部と胴体を静止させておく必要がありますが、それによって口頭または手による反応を行うことが妨げられるわけではありません。すべてのデータの収集が完了したら、参加者からオプトードを取り外します。参加者に時間と協力への感謝を伝え、ラボから退出してもらう。Hitachi ETG 4,000で収集したデータは、データ解析のために別のコンピュータにエクスポートされる。Hitachi ETG 4,000は近赤外光の散乱と吸収を測定し、その結果から神経活動の指標となる酸化ヘモグロビンおよび脱酸化ヘモグロビンの濃度変化が算出される。したがって、マイクロボルトで測定された生の減衰値を、酸化ヘモグロビン値および脱酸化ヘモグロビン値に変換する必要があります。これには修正ビール・ランベルト法を用います。これらの方程式の使用方法の詳細については、書面によるプロトコルを参照してください。典型的な血行動態反応では、酸化ヘモグロビン反応にいくつかの明確な特徴が現れます。まず、特徴的なディップ（低下）が見られます。このディップは、ニューロンの領域が活性化し、利用可能な酸素を消費することで発生します。血液の流れが増加し、酸素化されたヘモグロビンが運ばれるにつれて、オキシヘモグロビン応答は初期のベースラインレベルから定常状態レベルへと急速に上昇します。その領域の活性化が停止すると、オキシヘモグロビン応答はその後12～15秒かけて減衰し、ゆっくりとベースラインレベルまで戻ります。血行動態反応が初期のベースラインレベルに戻る前に、時折アンダーシュートが発生することがあります。対照的に、非典型的または不良な結果は、通常、ODSが頭皮に適切に装着されていないか、過度な体動によるものです。オキシおよびデオキシの反応は、協調的に変化します。これは、光ファイバーを揺らすことで実演されます。これまで、乳幼児、子供、および成人における言語発達を研究するために、機能的近赤外分光法をどのように使用するかについて説明してきました。この手法は、トロント大学のLauren Petito博士とその研究チームによって開発されたものです。この手順を行う際は、4つの点に留意することが重要です。1つ目は、参加者が気を散らさないよう、部屋を清潔に整えておくことです。2つ目は、参加者が到着する前に、コンピュータシステムが正常に動作していることを確認することです。3点目に、10-20法を用いて電極が正しく配置されているか確認してください。そして4点目に、信号のアーティファクトを調査し、データを正しく解析してください。NERシステムを正しく使用すれば、ヒトの脳の秘密を解き明かすことができるでしょう。ご不明な点がございましたら、トロント大学のLaura am Petitoまでお気軽にお問い合わせください。ご視聴ありがとうございました。皆様の実験の成功をお祈りいたします。

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